Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Biomimetisk replikering av rotoverflatemikrostruktur ved bruk av endring av myk litografi

doi: 10.3791/61437 Published: August 5, 2020

Summary

Biomimetikk har tidligere vært brukt som et verktøy for å studere bladmikroorganismeinteraksjoner. Det finnes imidlertid ikke noe slikt verktøy for røtter. Her utvikler vi en protokoll for å danne syntetiske overflater som etterligner rotoverflatemikrostruktur for studiet av rotmiljøinteraksjoner.

Abstract

Biomimetikk er bruk av kjemi og materialvitenskap for å etterligne biologiske systemer, spesielt biologiske strukturer, for å bedre menneskeheten. Nylig ble biomimetiske overflater som etterligner mikrostrukturen av bladoverflaten, brukt til å studere effekten av bladmikrostruktur på bladmiljøinteraksjoner. Det finnes imidlertid ikke noe slikt verktøy for røtter. Vi utviklet et verktøy som tillater syntetisk etterligning av rotoverflaten mikrostruktur i en kunstig overflate. Vi stolte på den myke litografimetoden, kjent for mikrostrukturreplikasjon av bladoverflaten, ved hjelp av en to-trinns prosess. Det første trinnet er den mer utfordrende som det innebærer det biologiske vevet. Her brukte vi en annen polymer- og herdingsstrategi, avhengig av den sterke, stive, polyuretan, herdet av UV for rotstøpingen. Dette tillot oss å oppnå et pålitelig negativt bilde av rotoverflaten mikrostruktur, inkludert de delikate, utfordrende funksjoner som rothår. Vi brukte deretter dette negative bildet som en mal for å oppnå rotoverflaten mikrostruktur replikering ved hjelp av både veletablert polydimethyl siloxane (PDMS) samt en cellulose derivat, etyl cellulose, som representerer en nærmere etterligning av roten og som også kan degraderes av cellulase enzymer utskilt av mikroorganismer. Denne nyopprettede plattformen kan brukes til å studere de mikrostrukturelle effektene av overflaten i rotmikroorganismeinteraksjoner på samme måte som det som tidligere har blitt vist i blader. I tillegg gjør systemet oss i stand til å spore mikroorganismens steder, i forhold til overflatefunksjoner, og i fremtiden sin aktivitet, i form av cellulasekresjon.

Introduction

Replikering av bladoverflatemikrostruktur er en kjent metode i biomimetikkforskningsfeltet1,2,3,4. De tidligste replikasjonene av bladoverflaten mikrostrukturen ble utført ved hjelp av neglelakk og gummimaterialer påføres på bladoverflaten for bedre visualisering av mikrostruktur, spesielt stomata5,6,7,8,9,10. Metoden ble deretter forbedret, og avanserte polymerer ble brukt til å etterligne bladoverflaten mikrostruktur ved hjelp av myk litografi, spesielt i sammenheng med biomimetikk av super hydrofobe overflater2,3,4,11,12. I de senere årene ble denne metoden bevist som et nyttig verktøy i studiet av samspillet mellom bladoverflaten og mikroorganismer som bor på overflaten, enten de er patogene13,,14 eller gunstige, som en del av den naturlige blad phyllosphere15. Forenkling av det naturlige systemet ble vist seg svært nyttig i studiet av overflatemikroorganisme interaksjoner selv når rent syntetiske systemer ble brukt som overflater15,16,17,18.

Mens replikering av bladoverflatemikrostruktur viste seg å være et nyttig verktøy for å studere samspillet som forekommer på overflaten av bladet med forskjellige mikroorganismer, finnes det ikke noe slikt verktøy for planterøtter. Planterøtter er vanskeligere å studere siden de ligger under bakken og alle interaksjoner forekommer i jorda. I likhet med blader, er rotoverflaten mikrostruktur sannsynlig å spille en rolle i rot-mikroorganisme interaksjoner. Det finnes imidlertid for tiden ingen metode for å isolere den spesifikke rollen til rotoverflatemikrostruktur i de komplekse rotmikroorganismeinteraksjonene. Den mest studerte rotoverflaten mikrostrukturisk funksjonen er rothårene19,20,21. Rothår har en viktig rolle i å øke overflatearealet, og ved at det gir mer effektivt inntak av næringsstoffer og vann22, men deres engasjement som en strukturell funksjon i rotmikroorganismerinteraksjoner har aldri blitt testet.

Den mest brukte polymeren for myk litografi i blader er polydimetyl siloxan (PDMS). PDMS egenskaper ligner de av blad cuticle15,23. Men i planterøtter er det mest tallrike materialet cellulose24,25 som har forskjellige egenskaper enn pdms26,27,28. Å bruke PDMS til å bygge en syntetisk plattform for å studere overflatemikrostruktureringseffektene i rotmiljøinteraksjoner er derfor mindre enn ideell.

Protokollen som presenteres her gjør det mulig å dannelse av syntetisk rotoverflate mikrostruktur kopi fra ulike materialer. Som metoden for bladoverflate mikrostruktur replikering er dette en to-trinns prosess. Det første trinnet bruker det biologiske vevet (rot) som en kilde for støping til en polyuretanform (en negativ replika). Polyuretanformen, som representerer det negative bildet av rotoverflatens mikrostruktur, kan deretter brukes som base for å generere den positive replikeringen av rotoverflatens mikrostruktur fra en rekke materialer, inkludert PDMS og cellulosederivater. Denne rotoverflatereplikeringen kan senere brukes som en plattform for å forstå overflatestrukturrollen i rotmikroorganismerinteraksjoner.

Protocol

1. Dyrking av planter og rotpreparat

  1. Alternativ 1: Forbered eventyrlige røtter fra stammen.
    1. Ta et rotbrett for voksende planter.
    2. Fyll brettet med jord.
    3. Tilsett ett frø av M82 tomatkultivar til hver celle i skuffen.
    4. Dekk frøene med litt jord.
    5. Vann brettet fra bunnen med en dropper som vannet fyller bunnen av skuffen og jord absorberer vann.
    6. Tilsett 2 ml gjødsel per 1 l vann til bunnen av brettet en gang i uken.
    7. Vokse i et voksende kammer ved 25 ° C.
    8. Bruk lysforhold på 9 timer lys (7:00-16:00) vekslet med 15 t mørke.
    9. Etter 3 uker fjerner du planten fra jorda.
    10. Klipp rotsystemet fra anlegget på interaksjonspunktet med stammen.
    11. Sett den rotløse planten i et beger fylt med vann.
    12. Etter noen dager, kutt de eventyrlige røttene som kommer ut av stammen og bruk dem til replikering.
  2. Alternativ 2: Forbered frø spirende røtter.
    1. Våt et filterpapir i petriskålstørrelse med vann.
    2. Legg flere M82 frø (ikke mer enn 10) på papiret, inne i en Petri parabolen.
    3. Inkuber platen ved 25 °C.
    4. Hydrer papiret hver dag.
    5. Etter germinerte røtter er lange nok (ca. 5 dager), fjern frøene og bruk røttene til replikering.

2. Utarbeidelse av roten negativ kopi fra polyuretan

  1. For å generere negativ replikaløsning, tilsett 9,49 g diuretan dimetakrylat til et 20 ml hetteglass.
    1. Tilsett 1,45 ml etylmetakrylat i hetteglasset.
    2. Rør ved romtemperatur (RT) til oppløsningen ser klar ut og blir homogen.
      MERK: Ca. 2 timer er tilstrekkelig til å nå en homogen løsning.
    3. Tilsett 3 ml av mykatoren, dietyfylisat, og rør i 1 timer ved RT.
      MERK: Dietyftalat er blandbart i akrylat monomer.
    4. Tilsett 300 μL av fotoinitiativtakeren, 2-hydroksy-2-metylpropiophenon, og rør over natten ved RT. Fortsett omrøring til alle bobler er fjernet.
      MERK: Protokollen kan settes på pause her. Løsningen kan oppbevares ved RT.
  2. For å generere den negative kopien av roten, ta et rent glasslysbilde og hell 1 ml av den negative replikaløsningen på den.
    1. Plasser 2\u20123 røtter over løsningen. Ikke la røttene være fullt dekket av løsningen.
    2. Hold lysbildet under 8 W ultrafiolett (UV) lampe i 8 \u201210 min. Ikke oppbevar oppløsningen under UV-lys for lenge.
      MERK: Det er viktig å ikke holde løsningen under UV-lyset for lenge, da det gjør polyuretanen for vanskelig, noe som gjør det umulig å fjerne roten.
    3. Slå av UV-lampen, fjern replikaen fra glasslysbildet og legg den i en petriskål fylt med etanol, for å fjerne uredigert monomer.
    4. Hvis du vil skaffe den negative replikaen, fjerner du roten fra replikaen veldig sakte ved hjelp av tang.

3. Klargjør rotpositiv replika fra PDMS.

  1. For å generere blandingen for den positive replikaen, legg 10 g dimetyl siloxan i en papirkopp.
    1. Tilsett 1 g herdemiddel og bland godt.
    2. Hold blandingen i en avsiccator under vakuum i 2 timer for å fjerne luftbobler.
  2. For å generere den positive kopien, plasser polyuretan negativ kopi i en petriskål.
    1. Hell PDMS-blandingen på toppen av den negative replikaen.
    2. Påfør vakuum i 2 timer for å sikre dekning av mikrostrukturen.
    3. Hold petriskålen over natten på RT.
    4. Skill den herdede positive replikaen fra den negative replikaen for hånd.

4. Forbered rotpositiv replika fra etylcellulose.

  1. For å generere etylcelluloseløsningen, legg 1,32 ml dietylfalat som en myknere i en 100 ml kopp.
    1. Tilsett 20 ml etanol og rør ved RT i 2 timer.
    2. Tilsett 3,3 g etylcellulose og rør over natten.
  2. For å generere den positive kopien, plasser polyuretan negativ kopi i en petriskål.
    1. Hell etylcelluloseløsningen på toppen av den negative replikaen.
    2. Hold petriskålen over natten på RT under panseret.
    3. Fjern den positive replikaen fra den negative replikaen veldig sakte med tang.

Representative Results

For å danne rotoverflaten mikrostruktur replikering, må en rot velges for støping. Vi dyrker tomatplanter i jord, noe som gjør bruken av den naturlige roten fra rotsystemet ekstremt utfordrende. Fjerning av jord fra rotsystemet kan være vanskelig og i tillegg er rotsystemrøttene skjøre og kan bryte ved støpeforsøk. Vi foreslår derfor først å bruke mer stive røtter, for å etablere protokollen i laboratoriet. Dannelsen av slike røtter er beskrevet i figur 1A. Planterotsystemet fjernes etter at anlegget ble dyrket i 3 uker, og den rotløse planten er plassert i vann i omtrent en uke til adventitious røtter kommer ut av stammen. Disse røttene kan brukes til replikering under protokolletableringen. Når protokollen er godt etablert, er en mer realistisk rotoverflatestruktur ønsket. Her foreslår vi å unngå røtter dyrket i jord som full fjerning av jord i ekstremt utfordrende. I stedet foreslår vi bruk av spirende røtter, og leverer verdifull informasjon om rotoverflaten mikrostruktur av en genetisk spesifikk plante. Veksten av slike røtter er beskrevet i figur 1B. Frøene er plassert på et vått filterpapir og inkuberes ved 25 °C. Etter ca 5 dager, hvor filterpapiret holdes fuktig, er de spirende røttene lange nok til replikering. Disse røttene er mer skjøre enn de tidligere foreslåtte røttene og krever mer delikat omsorg.

Produksjonen av rotoverflaten mikrostruktur kopi er en to-trinns prosess. I det første trinnet blir den naturlige roten formet til en polyuretanbasert mugg (den negative replikaen). Fordelen med dette trinnet er at alle materialer for polyuretanformen blir forberedt og roten er plassert på toppen av den forberedte løsningen helt på slutten for en 10 min eksponering for UV. Som et resultat er det biologiske vevet ikke utsatt for tøffe forhold for lenge og kan håndteres forsiktig på slutten av prosessen. Hvis alle protokolltrinn følges, genereres en god negativ replika. Denne replikaen vil vise cellestrukturen på rotoverflaten samt hull som representerer plasseringen av rothårene (Figur 2A). Hvis noen kritiske trinn i protokollen ikke følges, mislykkes prosedyren. Et slikt trinn er plasseringen av roten på polyuretanløsningen før herding. Roten må plasseres veldig forsiktig for å unngå nedsenkelse av den i polyuretanoppløsningen. En slik nedsenkenhet, av noen del av roten, vil føre til entrapment av roten i den harde polymeren uten evne til å fjerne den. Hvis en slik hendelse oppstår, vil roten forbli innenfor den negative replikaen etter at den er kurert (figur 2B). Et annet avgjørende skritt er om herdingstiden ved UV-lys. Den anbefalte herdetiden er 8 \u201210 min. Går forbi 10 min vil resultere i en ekstremt hard polyuretan mold, noe som gjør det umulig å fjerne roten uten å bryte den innenfor polyuretan mold. Brudd på roten kan noen ganger være synlig for det blotte øye, for eksempel når et stort stykke er ødelagt (Figur 2C, topp, merket med lilla piler). Imidlertid er noen ganger små rotstykker igjen i materialet som er vanskelige å få øye på av det blotte øye, og et mikroskop må brukes (Figur 2C, bunn, merket med lilla piler). Vi anbefaler nøye å undersøke polyuretan negativ kopi med et mikroskop før videreføring av protokollen for å sikre at ingen gjenværende rot er til stede.

Når polyuretan negativ kopi er utarbeidet; mange materialer kan brukes til fremstilling av den positive kopien. Utarbeidelsen av den positive replikaen, ved hjelp av polyuretan negativ kopi som en mold, er rett frem og avhenger helt av kvaliteten på polyuretan negativ kopi. For å generere den positive replikaen har vi brukt både PDMS- som det er godt kjent innen myk litografi (Figur 3A) - og etylcellulose som et materiale som bedre etterligner egenskapene til rotoverflaten som for det meste består av cellulose (Figur 3B). SEM-bildet av PDMS-kopien viser rothårene veldig tydelig. Hårene er i forlengelsessonen, hvor de begynner å dukke opp. Derfor varierer lengden på rothår langs rotoverflaten etter hvert som de blir lengre, mye som i den naturlige roten (Figur 3A). Etylcellulose genererer hardere og mindre fleksibel film enn PDMS. Derfor krever fjerning av det fra den negative formen mer omsorg. Noen hår og overflatemikrostrukturen er imidlertid synlige under lysmikroskopet (Figur 3B). Vi brukte disse to materialene til å generere den positive kopien, men ethvert materiale som kan danne en film vil være en god kandidat for den positive replikaen, ved hjelp av polyuretan negativ kopi.

Figure 1
Figur 1: Tomatplanterøtter for replikering. (A) En tomat (M82) plante dyrkes ved 25 °C med 9 t lys og 15 timers mørke. Etter 3 uker fjernes planten fra jorda og rotsystemet er avskåret. Den rotløse planten er satt i vann til adventitious røtter kommer fra stammen etter omtrent en uke. Disse røttene viser ikke den nøyaktige strukturen som røttene fra rotsystemet, men de representerer en god modell. Disse røttene er mindre skjøre enn rotsystemrøttene og foretrekkes derfor å jobbe med når man etablerer teknikken i laboratoriet. (B) Tomat (M82) frø legges på et vått filterpapir i en petriskål og inkuberes ved 25 °C. Papiret er hydrert hver dag og frøene spirer. Røttene vokser og etter ca 5 dager er lange nok til å brukes til replikering. Disse røttene er mildere og bør brukes når metoden er godt etablert. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Mikroskopibilder av polyuretan negativ replika. (A)SEM bilde av polyuretan negativ kopi laget i henhold til en protokoll som følger alle trinnene. Cellestrukturen er tydelig synlig. Gule piler peker på hull dannet av hårene i roten. (B) Lette mikroskopibilder av polyuretan negativ kopi med en rot inne i den som det var fullt dekket med løsningen og fjerning av det var umulig. Polyuretannegativ ble kurert med roten inni. Roten er synlig for øyet og ved hjelp av lys mikroskopi. Det er umulig å fjerne denne roten fra den herdede kopien. (C) Lette mikroskopibilder av polyuretan negativ kopi som ble holdt under UV-lys for lenge. Som et resultat kunne roten ikke fjernes helt fra polymeren med enten store partikler synlig for øye (toppbilde, merket med lilla piler) eller små fraksjoner som bare er synlige av mikroskop (nedre bilde, merket med lilla piler). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Mikroskopbilder av positiv replika. (A)SEM mikrograf av en positiv kopi laget av PDMS. Utvidelse viser rothår. (B) Lette mikroskopibilder av en positiv kopi laget av etylcellulose. Hår vises på bildene til høyre mens overflatetekstur er synlig i bildet til venstre. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Vi presenterer en ny metode for replikering av rotoverflatemikrostruktur. Denne metoden er avhengig av eksisterende metoder for mikrostruktur replikering av bladoverflaten4. For å utvikle denne metoden måtte vi justere den eksisterende metoden for blader. Vi innså at det problematiske trinnet i å kopiere bladreplikasjonsmetoden til røtter innebærer det første trinnet i rotstøpingen. Dette er den mest følsomme delen av metoden som det innebærer det biologiske vevet. Som et resultat ønsket vi å velge en polymer som ville kreve relativt milde forhold for herding og dermed forårsaker minimal skade på det biologiske vevet. Vi valgte polyuretan fordi det kan polymeriseres raskt (innen 10 min) under UV-lys29. I tillegg er det veldig vanskelig når polymerisert30, og vi håpet at denne egenskapen ville tillate relativt enkel fjerning av roten fra polyuretanformen.

Den presenterte metoden er en to-trinns tilnærming der det negative bildet (negativ replika) dannes i det første trinnet, og replikeringen dannes i det andre trinnet, basert på den negative replikaen. Dette utvider materialområdet vi kan arbeide med. Bladoverflate mikrostruktur replikering ble hovedsakelig utført på PDMS eller epoxy materialer11,31. Noe arbeid ble gjort med andre materialer, spesielt materialer som støtter mikroorganismevekst13,,32. Dette er fordi denne metoden de siste årene har blitt brukt til å studere mikroorganisme-overflate interaksjoner i sammenheng med bladoverflatestruktur. Imidlertid har ingen celluloselignende materialer blitt brukt i denne metoden i sammenheng med blader. Vi foreslår bruk av en polyuretan negativ kopi som en mold og en rekke materialer for den positive kopien. Med andre ord, å lage den positive kopien, fra en rekke materialer, er relativt enkelt når en god negativ kopi er laget. Vi bruker for tiden cellulosederivater, men utforsker mulighetene for å bruke mer relevante materialer til rotoverflate som pektin og lignin33,34 i kombinasjon med cellulosederivater.

Metoden utvider også på den eksisterende metoden for bladoverflate mikrostruktur replikering siden bladet er en 2D-overflate mens rotoverflaten er buet og dermed er en 3D-overflate. Vår metode muliggjør ikke replikering av hele overflaten siden innebygging av hele roten i polyuretanløsningen tillater ikke frigjøring. Derfor må den ene siden av roten velges når du replikerer rotoverflaten mikrostruktur. Den genererte syntetiske overflaten er buet og representerer omtrent halvparten av overflaten, men ikke alt. Vår antagelse er at de strukturelle egenskapene til rotoverflaten for det meste er symmetriske om aksen langs rotlengden. Men i studier der slik symmetri ikke antas, bør man være forsiktig med å velge riktig siderot for å replikere.

Vi presenterer to alternativer for røtter som skal brukes som former. Den første er muligheten for adventitious røtter vokst fra stammen og den andre er muligheten for spirende røtter på papir. Det første alternativet er for det meste ment å hjelpe forskere med å praktisere metoden, da disse røttene er mer robuste og lettere å jobbe med. Det andre alternativet representerer de genetiske forskjellene som finnes mellom røtter av forskjellige sorter, uavhengig av miljøforholdene. Disse overflatene kan brukes som viktige forskningsverktøy, men man bør være klar over at miljøet kan ha en sterk innflytelse på rotoverflatestrukturen, spesielt jorda der røttene dyrkes35,36. På grunn av det mekaniske stresset påført av jorda, er noen morfologiske endringer bundet til å skje, i tillegg til sår som påløper på overflaten som roten trenger inn i jorda37. Fjerning av røtter fra jord, samt rengjøring av dem, uten å skade deres struktur er en svært vanskelig oppgave. Derfor er vi ikke optimistiske med hensyn til evnen til å bruke denne metoden til å etterligne rotoverflaten mikrostruktur av røtter dyrket i jord. Men for forskning som fokuserer på genetiske forskjeller eller miljøforskjeller der endringen i mikrostruktur er merkbart klar, kan denne metoden brukes som et verktøy for å studere påvirkning av rotoverflatemikrostruktur.

Vår metode produserer en inert overflate som bare etterligner de mikrostrukturelle egenskapene til rotoverflaten. Selv om denne metoden er utformet for å skille de strukturelle effektene i rotmiljøinteraksjoner fra alle andre effekter, kan vi ikke ignorere de kjemiske forbindelsene i disse interaksjonene. Noen mikroorganismer kan ikke overleve eller fungere på overflaten uten tilsetning av forbindelser, spesielt næringsstoffer. Det neste trinnet i utviklingen av denne plattformen vil være kontrollert tillegg av kjemiske forbindelser for å studere deres effekter på de ulike interaksjonene når de kombineres med struktur.

Denne metoden ble utviklet som et første skritt i utviklingen av en syntetisk plattform for å studere rotmikroorganismeinteraksjoner. Her etterligner vi mikrostrukturen på rotoverflaten, og denne første plattformen kan brukes til å studere påvirkning av overflatemikrostruktur på mikroorganismeatferd. Denne plattformen er imidlertid begrenset siden den mangler mange andre elementer fra det naturlige systemet. Denne plattformen bør videreutvikles med bruk av de riktige materialene for å generere overflaten og med tilsetning av andre, kritiske, kjemikalier i systemet. I en mer avansert plattform kan vi også forestille oss romlig distribusjon av kjemikaliene. Men siden det for tiden ikke finnes noen annen metode for å isolere strukturelle effekter i rotmikroorganismerinteraksjoner, håper vi at forskere kan bruke denne første plattformen til å stille strukturspesifikke spørsmål i disse interaksjonene.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forskning ble støttet av frømidler fra The Agricultural Research Organization til MK.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2-hydroxy-2-methylpropiophenone Sigma 405655
Diethyl phthalate Across 114520010
Diurethane dimetharylate Sigma 436909
Ethyl cellulose Across 232705000
Ethyl methacrylate Sigma 234893
Shaphir Solution GAT fertilizer 6-2-4
Sylgard 184 kit Polymer-G 510018400500

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bhushan, B., Jung, Y. C., Niemietz, A., Koch, K. Lotus-Like Biomimetic Hierarchical Structures Developed by the Self-Assembly of Tubular Plant Waxes. Langmuir. 25, 1659-1666 (2009).
  2. Koch, K., Barthlott, W. Superhydrophobic and superhydrophilic plant surfaces: an inspiration for biomimetic materials. Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences. 367, 1487-1509 (2009).
  3. Schulte, A. J., Koch, K., Spaeth, M., Barthlott, W. Biomimetic replicas: Transfer of complex architectures with different optical properties from plant surfaces onto technical materials. Acta Biomaterialia. 5, 1848-1854 (2009).
  4. Koch, K., Schulte, A., Fischer, A., Gorb, S., Barthlott, W. A fast, precise and low-cost replication technique for nano- and high-aspect-ratio structures of biological and artificial surfacese. Bioinspiration & Biomimetics. 3, 046002 (2008).
  5. Weyers, J. D. B., Johansen, L. G. Accurate Estimation of Stomatal Aperture From Silicone Rubber Impressions. New Phytology. 101, 109-115 (1985).
  6. Hilu, K. W., Randall, J. L. Convenient Method for Studying Grass Leaf Epidermis. Taxon. 33, 413-415 (1984).
  7. Sampson, J. A. Method of replicating Dry or Moist Surfaces for Examination by Light. Nature. 191, 932-933 (1961).
  8. Weyers, J. B. D., Travis, A. J. Selection and Preparation of Leaf Epidermis for Experiments on Stomatal Physiology. Journal of experimental botany. 32, 837-850 (1981).
  9. Groot, J. The Use of Silicone Rubber Plastic for Replicating Leaf Surfaces. Acta Botanica. Neerlandica. 18, 703-708 (1969).
  10. Wu, S., Zhao, B. Using Clear Nail Polish to Make Arabidopsis Epidermal Impressions for Measuring the Change of Stomatal Aperture Size in Immune Response. Plant Pattern Recognition Receptors. 243-248 (2017).
  11. Wu, W., Guijt, R., Silina, Y., Koch, M., Manz, A. Plant leaves as templates for soft lithography. RSC Advances. 6, 22469-22475 (2016).
  12. Barthlott, W., Mail, M., Bhushan, B., Koch, K. Plant Surfaces: Structures and Functions for Biomimetic Innovations. Nano-Micro Letters. 9, 23 (2017).
  13. Zhang, B., et al. Fabrication of biomimetically patterned surfaces and their application to probing plant-bacteria interactions. ACS Applied Materials and Interfaces. 6, 12467-12478 (2014).
  14. Szyndler, M. W., Haynes, K. F., Potter, M. F., Corn, R. M., Loudon, C. Entrapment of bed bugs by leaf trichomes inspires microfabrication of biomimetic surfaces. Journal of the Royal Society Interface. 10, 20130174 (2013).
  15. Doan, H. K., Leveau, J. H. J. Artificial Surfaces in Phyllosphere Microbiology. Phytopathology. 105, 1036-1042 (2015).
  16. Chung, K. K., et al. Impact of engineered surface microtopography on biofilm formation of Staphylococcus aureus. Biointerphases. 2, 89-94 (2007).
  17. Sirinutsomboon, B., Delwiche, M. J., Young, G. M. Attachment of Escherichia coli on plant surface structures built by microfabrication. Biosystems Engineering. 108, 244-252 (2011).
  18. Bhattacharjee, A., Khan, M., Kleiman, M., Hochbaum, A. I. Effects of Growth Surface Topography on Bacterial Signaling in Coculture Biofilms. ACS Applied Materials and Interfaces. 9, 18531-18539 (2017).
  19. Measuring roots: an updated approach. Mancuso, S. Springer Science & Business Media. (2011).
  20. Schneider, K., Wells, B., Dolan, L., Roberts, K. Structural and genetic analysis of epidermal cell differentiation in Arabidopsis primary roots. Development. 1798, 1789-1798 (1997).
  21. Dolan, L., et al. Clonal relationships and cell patterning in the root epidermis of Arabidopsis. Development. 2474, 2465-2474 (1994).
  22. Leitner, D., et al. A dynamic model of nutrient uptake by root hairs. New Phytology. 185, 792-802 (2010).
  23. Soffe, R., Bernach, M., Remus-emsermann, M. N. P., Nock, V. Replicating Arabidopsis Model Leaf Surfaces for Phyllosphere Microbiology. Scientific Reports. 9, 1-12 (2019).
  24. Sorieul, M., Dickson, A., Hill, S. J., Pearson, H. Plant fibre: Molecular structure and biomechanical properties, of a complex living material, influencing its deconstruction towards a biobased composite. Materials. 9, 618 (2016).
  25. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. Journal of the Royal Society Interface. 9, 2749-2766 (2012).
  26. Poletto, M., Pistor, V., Zattera, A. J. Structural characteristics and thermal properties of native cellulose. Cellulose-fundamental aspects. 45-68 (2013).
  27. Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J. A., Simonsen, J., Youngblood, J. Cellulose Nanomaterials Review: Structure, Properties. Chemical Society Reviews. 40, 3941-3994 (2011).
  28. Johnston, I., McCluskey, D., Tan, C., Tracey, M. Mechanical characterization of bulk Sylgard 184 for microfluidics and microengineering. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24, 035017 (2014).
  29. Yan-yan, W., Ying-wu, L., Bao-fang, L., Bo-geng, L. Water-soluble UV curable urethane methyl acrylate coating: preparation and properties. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 5, 906-911 (2004).
  30. Bao, L., Huang, Y. Synthesis and Properties of UV Curable Waterborne Polyurethane Acrylate Based on Modified Castor Oil. The pharmaceutical and chemical journal. 4, 34-40 (2017).
  31. Sharma, V., Orejon, D., Takata, Y., Krishnan, V., Harish, S. Gladiolus dalenii Based Bioinspired Structured Surface via Soft Lithography and Its Application in Water Vapor Condensation and Fog Harvesting. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 6981-6993 (2018).
  32. Soffe, R., Altenhuber, N., Bernach, M., Remus-Emsermann, M. N. P., Nock, V. Comparison of replica leaf surface materials for phyllosphere microbiology. PloS one. 14, 1-19 (2019).
  33. Whitehead, D. C., Buchan, H., Hartlay, R. D. Composition and decomposition of roots of ryegrass and red clover. Soil Biology and Biochemistry. 11, 619-628 (1979).
  34. Ververis, C., Georghiou, K., Christodoulakis, N., Santas, P., Santas, R. Fiber dimensions, lignin and cellulose content of various plant material and their suitability for paper production. Industrial crops and products. 19, 245-254 (2004).
  35. Croser, C., Bengough, A. G., Pritchard, J. The effect of mechanical impedance on root growth in pea (Pisum sativum). II. Cell expansion and wall rheology during recovery. Physiologia Plantarum. 109, 150-159 (2000).
  36. Lipiec, J., Horn, R., Pietrusiewicz, J., Siczek, A. Effects of soil compaction on root elongation and anatomy of different cereal plant species. Soil and Tillage Research. 121, 74-81 (2012).
  37. Potocka, I., Szymanowska-Pulka, J. Morphological responses of plant roots to mechanical stress. Annals of botany. 122, 711-723 (2018).
Biomimetisk replikering av rotoverflatemikrostruktur ved bruk av endring av myk litografi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kumari, P., Sayas, T., Kleiman, M. Biomimetic Replication of Root Surface Microstructure using Alteration of Soft Lithography. J. Vis. Exp. (162), e61437, doi:10.3791/61437 (2020).More

Kumari, P., Sayas, T., Kleiman, M. Biomimetic Replication of Root Surface Microstructure using Alteration of Soft Lithography. J. Vis. Exp. (162), e61437, doi:10.3791/61437 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter